Bài giảng Kỹ thuật vi xử lý - Chương 4: Ghép nối với vào ra Input / Output - Phạm Thế Duy

Ghép nối với vào raInput / OutputPeripheral InterfacingPhạm Thế Duy(ptduy@yahoo.com)Các khái niệm chungCác cổng vào raLà thiết bị ngăn cách giữa BUS dữ liệu và các thiết bị ngoại vi. Các cổng vào ra sẽ mở để CPU giao tiếp với thiết bị ngoại vi khi CPU cấp đúng địa chỉ của nó.Là các vi mạch tích hợp giao tiếp với BUS dữ liệu của CPU bằng cổng 03 trạng thái.Phân loại các cổng vào ra.Theo kiểu truyền dữ liệu:Vào ra song song.Vào ra nối tiếp.Theo tín hiệu truyền:Vào ra sốVào ra tương tự: ADC, DACTheo cơ chế hoạt động của vào ra:Vào ra cơ bản.Vào ra lập trình.Theo phương pháp điều khiển của CPU:Vào ra theo phương pháp quét vòng: pollingVào ra theo ngắt: Interrupt.Vào ra bằng thâm nhập trực tiếp bộ nhớ: DMA – Direct Memory Access.Các thiết bị ngoại viCác thiết bị chỉ vào.Các thiết bị chỉ ra.Các thiết bị vừa vào vừa ra.Giống như bộ nhớ các cổng vào ra sẽ được CPU định vị bằng một vi trí cố định gọi là địa chỉ cổng.Khác với bộ nhớ mỗi chip vào ra chỉ có một hoặc một vài địa chỉ. Các cổng raGiống như bộ nhớ, CPU có thể ghi dữ liệu tới các cổng ra.Khi ghi dữ liệu tới bộ nhớ sử dụng lệnh MOV [BX],AL.Khi ghi dữ liệu tới vào ra sử dụng lệnh OUT DX,ALCác cổng vàoGiống như bộ nhớ, CPU có thể đọc dữ liệu từ các cổng vào.Khi đọc dữ liệu tới bộ nhớ sử dụng lệnh MOV AL,[BX]Khi đọc dữ liệu tới vào ra sử dụng lệnh IN AL,DX.Địa chỉ hoá bộ nhớ và vào raBộ nhớ và vào ra:Có thể truy cập bằng cùng một lệnh hoặc khác lệnh.Địa chỉ hoá bằng toàn bộ hoặc một phần BUS địa chỉ.Có thể sử dụng chung các tín hiệu điều khiển hoặc sử dụng riêng các tín hiệu điều khiển.Có thể nhiều hơn hoặc 216 cổng.Vào ra có thể truy cập bằng không gian địa chỉ dành cho bộ nhớ.Hai dạng của lệnh IN/OUTDạng 1IN AL, port#HoặcOUT port#, ALVí dụ:BACK: IN AL,22H CMP AL, 100 JNZ BACK Dạng 2MOV DX,port#IN AL, DXHoặcMOV DX, port#OUT DX, ALCổng vào ra 8 và 16 bitVới 8088 :MOV DX, 648HOUT DX, AX ;AX = 76A9HCấp địa chỉ và ALEGhi byte thấp (A9), IOWĐịnh thời ghiCấp địa chỉ (649) và ALEGhi byte cao (76), IOWĐịnh thời ghiVới 8086 :MOV DX, 648HOUT DX, AX ;AX = 76A9HCấp địa chỉ và ALEGhi một từ (76A9), IOWĐịnh thời ghiCác cổng vào ra cơ bảnThực hiện cổng ra đơn giảnSử dụng 8 đèn LED.Use 8 LED’s8088MinimumModeA18A0:D7D6IORIOWA19D5D4D3D2D1D0 :mov al,55hout dx, al : : :Thực hiện cổng ra đơn giảnSử dụng 8 đèn LED.Các LED sẽ sáng theo giá trị trên BUS dữ liệu, sẽ không điều khiển được theo ý muốn.Cần sử dụng vi mạch ra và bộ giải mã địa chỉ sao cho LED chỉ được cấp dữ liệu khi CPU cấp đúng địa chỉ bằng lệnh OUT (giả sử chúng ta cần địa chỉ là F000H)Sử dụnng 74LS245 và bộ giải mã địa chỉ :mov al, 55Hmov dx, F000Hout dx, al :8088MinimumModeA18A0:D7D6IORIOWA19D5D4D3D2D1D074LS245B0B1B2B3B4B5B6B7A0A1A2A3A4A5A6A7EDIR5VA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0IOWThực hiện cổng ra đơn giảnSử dụng cổng đệm 74245 dữ liệu sẽ bị mất sau khi thực hiện lệnh OUT, do cổng đóng lại.Làm sao để LED vẫn sáng?Vẫn sử dụng chip vào ra và bộ giải mã để dữ liệu chỉ cung cấp tới LED khi CPU cung cấp đúng địa chỉ bằng lệnh OUT, nhưng chip cần có chức năng giữ lại dữ liệu cho tới khi có lệnh OUT kế tiếp.Sử dụng 74LS373 và bộ giải mã địa chỉ :mov al, 55Hmov dx, F000Hout dx, al :A158088MinimumModeA18A0:D7D6IORIOWA19D5D4D3D2D1D0A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0IOW74LS373Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D0D1D2D3D4D5D6D7OELEThực hiện cổng vào đơn giảnSử dụng 8 phím nhấn.Cần sử dụng vi mạch ra và bộ giải mã địa chỉ sao cho các phím chỉ đọc bằng lệnh IN với đúng địa chỉ của cổng (giả sử chúng ta cần địa chỉ là F000H).Làm thế nào để giao tiếp các phím nhấn với hệ thống CPU ?Sử dụng 74LS245 và bộ giải mã địa chỉ :mov dx, F000Hin al, dx :A158088MinimumModeA18A0:D7D6IORIOWA19D5D4D3D2D1D0A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0IOR5V74LS245B0B1B2B3B4B5B6B7A0A1A2A3A4A5A6A7EDIRCó thể sử dụng chung một địa chỉ cho một cổng vào và một cổng ra?Điều khiển đọc phím nhấnQuét vòng – PollingNgắt - InterruptQuét vòng mov dx, F000L1: in al, dx cmp al, FF je L1 : :Output Port DesignT1 – T4 of OUT 99H, AL ?GDQ...74LS373D0Q0OCGInput Port DesignT1 – T4 of IN AL, 5FH ?D0D7Q074LS244Q7OC.........Ví dụ về giao tiếp DIP - SWVí dụ về giao tiếp LEDTăng công suất giao tiếp cho các cổng ra.Các thiết bị ra cần có mức điện áp và dòng điện thích hợp.Với các ngõ ra TTL:Về điện áp: 0 – 0.4V cho logic 0; 2.4 – 5V cho logic 1.Về dòng điện: 0 – 2mA cho mức 0 và 0 tới (-400uA) cho mức 1.Giao tiếp cách ly dùng relay220V220VOut Out +Vcc +Vcc Hình 5.45: Maïch ñeäm transistor. (a) (b) Giao tiếp công suất bằng SSR – Solid State RelayVào ra song song lập trình 8255Chip hỗ trợ vào ra song song lập trình 8255Có thể chọn nhiều chế độ hoạt động khác nhau bằng chương trình.Dữ liệu vào ra kèm theo các tín hiệu bắt tay.Có nhiều cổng giao tiếp tích hợp trong một chip.8255 – Sơ đồ khối8255 – Kết nôi với hệ thống8255 – Kết nối với hệ thống8255 PPI8255 – Từ điều khiển lập xoá bit cổng CVí dụ về lập trình bit cổng CLập trình 8255 với yêu cầu sau:A) lập PC2 lên mức cao.B) Sử dụng PC6 tạo ra xung vuông với 66% duty cycleGiải:A) MOV AL, 00000101BOUT 93H,AL ; 93H là địa chỉ cổng điều khiểnB)MOV AL, 0xxx1101OUT 93H, ALCALL DelayCALL DelayMOV AL, 0xxx1100OUT 93H, ALCALL DelayJMP AGAIN8255 – Từ điều khiển chế độ8255 – Các chế độ làm việc8255 – Định thời out chế độ 08255 – Định thời in chế độ 0Example - Port addressesSolutionExample – Programming 8255Solution8255 – Chế độ 18255 – Định thời đọc chế độ 1Tác động tín hiệu đọc chế độ 1#OBFa :CPU ghi tới 8255 một byte#ACKa:Dữ liệu đã được bên nhận lấyINTRa:Tác động sau cạnh lên của #ACKaINTEa (interrupt enable)Là bit cho phép bên trong 8255.Điều khiển bằng bit PC68255 – Định thời ghi chế độ 1Tác động tín hiệu ghi chế độ 1#STB (in):Thiết bị cung cấp dữ liệu tới cổng vào của 8255IBF (out):Dữ liệu đã được chốt tới bộ cài của 8255INTR (out):Sau khi tác động tín hiệu IBFINTE (interrupt enable)Là bit bên trong 8255Điều khiển bằng các bit PC4 và PC28255 – Kết nối tín hiệu chế độ 1PA0 – PA7PA0 – PA7PC7PC4PC6PC5INTEAPC3INTEAPC3PC2PC1INTEBPC0PC1PC2INTEAPC0PB0 – PB7PB0 – PB7IBFAOBFASTBAACKAOBFBSTBBIBFBACKBINTAINTBINTAINTBWR RD RD D0 – D7D0 – D7Hình 5.17: Truyền dữ liệu bằng 8255 ở chế độ 1.Chế độ 2 của 8255MODE 2 OperationNgắt và Quét vòngInterrupt vs. PollingKhi sử dụng ngắt :CPU sẽ chỉ ngắt khi cần thiết. CPU sẽ phục vụ được nhiều thiết bị hơn. Hệ thống sẽ yêu cầu nhiều phần cứng hơn.Kiểm tra trạng thái để quét vòng Using status to PollGiảiBản đồ vào ra của máy tính IBM PC IO MAPGiải mã địa chỉ bằng 74138Địa chỉ của 8255 trong máy tính.Sử dụng các cổng của 8255 trong PCMOV AL,99HOUT 63, ALKết nối dữ liệu trong các hệ thống8088Dữ liệu được truyền theo byteDung lượng nhớ 1MB sẽ là 1M x 8-bits8086/80186Dữ liệu có thể truyền theo từng từ (word)Dung lượng nhớ 1MB sẽ là 512kB x 16-bits80286/80386SXDữ liệu truyền theo từDung lượng nhớ 16MB sẽ là 8MB x 16-bitsDữ liệu 32 và 64 bit• 80386DX/80486– Dữ liệu truyền theo 4 byte– Dung lượng nhớ 4GB là 1GB x 32-bits• Pentium Pro/Pentium 1-4– Dữ liệu truyền theo 4 từ.– Dung lượng nhớ 4GB là 512MB x64-bits(trên P2-4, bus thực sự là 36 bits)Little Endian / Big Endianvới 68000: MOVE.W #513, D0 ; chuyển giá trị 513 vào 16 bit thấp của D0 MOVE.W D0,4 ; chứa từ thấp của D0 vào ô nhớ 4với 80x86: MOV AX,513 ; nạp AX (16 bits), giá trị 513 MOV [4],AX ; chứa AX vào ô nhớ 4Các hệ thống vi xử lý tổ chức bộ nhớ 16 bitBus dữ liệu 16-bit. Khi sử dụng cả Bus để truy cập dữ liệu.1M bộ nhớ sẽ là: 512K * 16 bitKhi bộ nhớ theo byte được gán theo từng từ. Truy cập các địa chỉ chẵnVí dụ: ô nhớ [4H] chứa 0102H và ô nhớ [6H] chứa 0304HĐiều gì xảy ra khi Mov AX,[4]?Điều gì xảy ra khi Mov AX,[5]?Motorola family of the MC680x0 forbids non-aligned accessChọn bank bộ nhớ8086/186/286/386SX có 16 đường dữ liệu D15-D0SRAM 6264 chỉ có 8 đường dữ liệu I/O7 – I/O0Cần tổ chức bộ nhớ theo bank “Memory Bank”1 SRAM để chứa các dữ liệu với địa chỉ chẵn “Even Addresses” ( 0 2 )1 SRAM để chứa các dữ liệu với địa chỉ lẻ “Odd” Addresses” ( 1 3 )8086 có đường điều khiển BHE– (Bank High Enable)Được sử dụng cùng với A0 để xác định dạng truy cập bộ nhớ:BHE A0 Dạng truy cập0 0 1 từ (16-bits)0 1 Byte lẻ - Odd Byte (D15-D8)1 0 Byte chẵn - Even Byte (D7-D0)1 1 Không truy cập - No AccessGiao tiếp hai bộ nhớ 512KB với vi xử lý 8088 (review)A18A0:D7D0:MEMRMEMWXXXXBPESDSSSCXBXAXXXXXXXXXXXXX2000000000233F1CFCA1SPDXXXXXCSSIXXXXXXXXIPXXXXDIA1923000000000195:200202002120022200237FFFD7FFFE7FFFF29127D13192536:::A18A0:D7D0:RDWRCS970000000001D4:200202002120022200237FFFD7FFFE7FFFFA39245332C9812:::A18A0:D7D0:RDWRCSGiao tiếp hai bộ nhớ 512KB với vi xử lý 8086A19A1:D7D0:MEMRMEMWXXXXBPESDSSSCXBXAXXXXXXXXXXXXX4000000000233F1CFCA1SPDXXXXXCSSIXXXXXXXXIPXXXXDIA023000000000195:200202002120022200237FFFD7FFFE7FFFF29127D13192536:::A18A0:D7D0:RDWRCS970000000001D4:200202002120022200237FFFD7FFFE7FFFFA39245332C9812:::A18A0:RDWRCSD15D8:D7D0:BHE#How to connect data lines?How to connect address lines?What about chip select?MOV [0040], AL?MOV [0041], AH?MOV [0040], AX?1C3FGiải mã chọn bank bộ nhớGiao tiếp các bộ vào ra 8 bit với bus dữ liệu 16 bit.Giải quyết ?Giải pháp 1:1) sử dụng hai bộ vào ra riêng. Địa chỉ chẵn cho mộ chip và địa chỉ lẻ cho chip còn lạiLệnh OUT port#, AX sẽ cung cấp dữ liệu tới cả hai chip.Giao tiếp các bộ vào ra 8 bit với bus dữ liệu 16 bit.Giải pháp 2: Sử dụng bộ copier Hi/LoXuất dữ liệu ra địa chỉ lẻ (odd-addressed):Hi/Lo copier chép dữ liệu từ D8-D15 tới D0-D7Nhận một byte từ địa chỉ lẻ. Hi/Lo copier chép dữ liệu từ D0-D7 tới D8-D15Logic điều khiển được cung cấp từ chipset.Hi/Lo Copier trong PCBus mở rộng ISA trong PCChỉ có 16-bit (ngay cả khi sử dụng CPU 32-bit hoặc cao hơn)Tốc độ giới hạn tới 8MHzLinear Select Address DecodingWhat is the address range and aliases?Buffering Selected IO Address RangeRange of addresses?Blocking others.Lập trình vào ra với C và BasicAssemblyMicrosoft CBorland CBASICOUT port#, ALoutp (port#, byte)ouportb(port#, byte)Out port#, byteIN AL, port#var=inp(port#)var=inportb(port#)Var = INP (port#)OUT DX, AXOutpw(port#, word)Outport(port#, word)Out port#, word ??IN AX, DXword=inpw(port#)word=inport(port#)Var = INP (port#)??Ví dụVí dụ chương trình quét vòngViết chương trình làm các LED sáng chạy từ dưới lên trên khi bắt đầu chạy. Khi phím thấp nhất được nhấn, LED sẽ thay đổi hướng sáng. Khi phím cao nhất được nhấn, chương trình sẽ kết thúc.Sơ đồ kết nối mạ̣chA158088MinimumModeA18A0:D7D6IORIOWA19D5D4D3D2D1D0A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0IOR5V74LS245B0B1B2B3B4B5B6B7A0A1A2A3A4A5A6A7EDIRA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0IOW74LS373Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D0D1D2D3D4D5D6D7OELEXem xét về hoạt động của chương trình mov dx, 0F000h mov ah, 00 mov al, 01L1: out dx, al mov cx, 0FFFFhL2: dec cx jnz L2 cmp ah, 00 jne L3 rol al, 1 cmp al, 01 jne L1 jmp L4L3: ror al, 1 cmp al, 80h jne L1 L4: mov bl, al in al, dx cmp al, 0FFh je L6 test al, 01 jnz L5 xor ah, 0FFh jmp L6L5: test al, 80h jz L7L6: mov al, bl jmp L1L7:Vấn đề gì xảy ra khi nhiều quá trình quét vòng thực hiện trong cùng một chương trình?Quét các LED sáng sẽ tốn một khoảng thời gian nhất định.Người sử dụng có thể sẽ nhấn và rời tay khỏi phím trước khi các LED được quét xong. Tức là trước khi thực hiện lệnh in al, dx Và vi xử lý sẽ không biết người sử dụng đã nhấn phím.Vấn đề với chương trình quét vòng. mov dx, F000 mov ah, 00 mov al, 01L1: out dx, al mov cx, FFFFhL2: dec cx jnz L2 cmp ah, 00 jne L3 rol al, 1 cmp al, 01 jne L1 jmp L4L3: ror al, 1 cmp al, 80h jne L1 L4: mov bl, al in al, dx cmp al, FFh je L6 test al, 01 jnz L5 xor ah, FFh jmp L6L5: test al, 80h jz L7L6: mov al, bl jmp L1L7:Một số ứng dụng vào ra song songBộ hiển thị LED 7 đoạnCổng ra cho phép từng LED.Cổng ra cấp mã LED.VccHình 5.42: Hiển thị LED theo chế độ quét.Bộ hiển thị LED 7 đoạnĐiều khiển LED sángChọn LED1 – Cấp mã sáng cho LED1- Tạo trễ để LED sáng.Không chọn LED1 (không chọn LED nào để tắt hết các LED.Tiếp tục với LED2 cho tới LED8.Hiển thị trên LED ma trậnHình 5.43: Cấu tạo đèn hiển thị LED ma trận.Kết nối bàn phím ma trậnVcc10KOutIn D0 D1 D2 D3 D7D0Hình 5.40: Kết nối bàn phím dạng ma trận.Kết nối bàn phím ma trận 1 1 1 00111Kết nối bàn phím ma trậnĐọc vào từ các hàng = 1111 thì không có phím nào được nhấn.Nếu có phím nhấn (hàng khác 1111) sẽ quét phím bằng cách tuần tự cho các cột bằng 0 và đọc vào từ các hàng.Giá trị phím nhấn sẽ tương ứng với giá trị out ra cột và in vào từ hàng.Kết nối bàn phím ma trậnGiao tiếp với các bộ hiển thị LCD.Giá thành hạCó thể hiển thị số, ký tự, hình vẽĐược tích hợp sẵn bộ điều khiển làm tươiDễ dàng lập trình.Mô tả chân các bộ LCDCác mã lệnh lập trình cho LCDVi du sơ đồ kết nối với LCDVí dụ lập trình cho LCDLập trình gởi dữ liệu tới LCDCác địa chỉ cho LCDĐịnh thời của LCDCác lệnh của LCDĐộng cơ bước -Stepper MotorsCho phép điều khiển vi trí chính xác bằng cách điều khiển động cơ quay theo các góc nhất định một các dễ dàng.Thường có tốc độ thấp và moment thấp hơn các động cơ khác.Có thể sử dụng để điều khiển chính xác vị trí trong roboticsCác Servomotors yêu cầu tín hiệu phản hồi vị trí chính xác.Sơ đồ cấu tạo Stepper MotorGóc quay của động cơ bước - Stepper MotorCác thuật ngữ - TerminologyBước trên giây - Steps per second, RPMSPS = (RPM * SPR) /60Số cực - Number of teeth4-step, wave drive 4-step, 8-stepTốc độ động cơ - Motor speed (SPS)Moment giữ - Holding torqueCác loại Stepper MotorTừ trường thay đổi - Variable ReluctanceNam châm vĩnh cửu - Permanent MagnetVariable Reluctance MotorsVariable Reluctance MotorsĐây thường là loại động cơ 4 dây – dây chung để cấp nguồn +V các cuộn dây sẽ được cấp điện thông qua các đầu dây còn lại. Trong hình là động cơ loại 30o.Rotor có 4 cực từ (poles) và stator có 6.Ví dụ:Variable Reluctance MotorsĐể động cơ quay chúng ta cần cấp điện cho các cuộn dây theo trình tự sau:W1 - 1001001001001001001001001 W2 - 0100100100100100100100100 W3 - 0010010010010010010010010Cấp điện như trên sẽ làm động cơ quay đủ hai vòng.Động cơ đơn cực Unipolar MotorsUnipolar MotorsĐể động cơ quay cần cung cấp điện cho hai động cơ như:W1a - 1000100010001000100010001 W1b - 0010001000100010001000100 W2a - 0100010001000100010001000W2b - 0001000100010001000100010 Kích thích như trên cho phép động cơ quay đủ hai vòng.Dạng sóng kích thích cơ bảnBasic Actuation Wave FormsĐộng cơ đơn cựcUnipolar MotorsĐể động cơ quay chúng ta cũng có thể kích thịch hai động cơ như sau:W1a - 1100110011001100110011001 W1b - 0011001100110011001100110 W2a - 0110011001100110011001100 W2b - 1001100110011001100110011 Với kích thích như trên động cơ sẽ quay đủ hai vòng nhưng với moment tăng gấp 1.4 lần và công suất tăng hai lần.Dạng sóng tăng moment-Enhanced WaveformsMoment quay tốt hơn - better torqueĐiều khiển sẽ chính xác hơn -more precise controlUnipolar MotorsHai dạng kích thích động cơ đơn cực khác nhau, Kết hợp giữa hai kiểu kích thích chúng ta sẽ điều khiển động cơ quay theo nửa bước.W1a - 11000001110000011100000111 W1b - 00011100000111000001110000 W2a - 01110000011100000111000001 W2b - 00000111000001110000011100 Mạ̣ch điều khiển động cơ Motor Control CircuitsVới các động cơ yêu cầu dòng thấp co thể sử dụng loại Transistor Darlington Arrays họ ULN200x để cấp điện cho các cuộn dâyKết nối giao tiếp với Stepper MotorsTạo vector điều khiểnVector GenerationGiải pháp phần cứngThiết kế bằng mạch LogicTrạng thái máy - State machineGiải pháp phần mềmBộ vi xử lý và cổng raĐịnh thời xuất dữ liệu.Ví dụGiao tiếp tương tựADC -Analogue to Digiatal Converter.DAC – Digital to Analogue Converter.Digital to Analog ConverterMạch ADC 4 bit đơn giảnDigital to Analog ConverterCác thông số kỹ thuậtĐộ phân giải (revolution): 8 bit vào bằng 256 mức điện áp ra, hay (1/256)*100 = 0.39%.Điện áp ra đầy thang (full-scale): với DAC 8 bit full-scale = 10V thì điện áp ra lớn nhất là 10V*(255/256)=9,961VĐộ chính xác (accuracy): full-scale =10V, độ chính xác 2% thì sai số cực đại cho giá trị ra bất kỳ sẽ là: 10V*0.02=20mV.Độ tuyến tính: là sai lệch giữa điểm ra thực tế và đường thẳng nối điểm tất cả bit vào bằng 0 và điểm có tất cả các bit vào bằng 1.Thời gian quá độ: là thời gian kể từ khi đưa tín hiệu ngõ vào tới khi có tìn hiệu ra chỉ còn khác tín hiệu đúng ½ LSBDigital to Analog ConverterExample – Step RampDigital to Analog ConverterĐệm công suất raAnalog to Digital ConverterLoại song songVinD1D0Analog to Digital ConverterLoại hai độ dốc1-Mhz ClockIntegratorComparatorAnalog to Digital ConverterLoại xấp xỉ liên tiếpClock INVin5V Max+5V-5VMSBLSBLSBMSBMC14549MC1408SCEOCData OUTVí dụ về ADC loại xấp xỉ liên tiếpVin RangeTimingInterfacing ADCExampleTemperature SensorPrinter ConnectionĐịa chỉ cho cổng LPTPrinter’s Ports